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Einfluss von Gefüge und Schnittgeschwindigkeit auf die Mechanismen der Spanbildung und die Ermüdungseigenschaften von Leichtmetalllegierungen

Landua, Steffen :
Einfluss von Gefüge und Schnittgeschwindigkeit auf die Mechanismen der Spanbildung und die Ermüdungseigenschaften von Leichtmetalllegierungen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss von Gefüge und Schnittgeschwindigkeit auf die Mechanismen der Spanbildung und die Ermüdungseigenschaften von Leichtmetalllegierungen
Language: German
Abstract:

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit bestand darin, die bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Werkstück vor der Schneide ablaufenden Vorgänge und deren Auswirkungen auf die bearbeiteten Werkstücke zu charakterisieren. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile, wobei im ersten Teil der Einfluss des Werkstoffs (Makrotextur, mikroskopische Textur, Wärmeleitfähigkeit) auf die zu Segmentspänen führenden Scherlokalisierungen geklärt wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Einflüssen der spanenden Bearbeitung auf das Werkstück und den Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten bearbeiteter Oberflächen. Entsprechende Untersuchungen wurden an der Aluminiumlegierung Al7075 und den Titanlegierungen Ti 15-3 und Ti 6-4 durchgeführt. Der Einfluss des Auslagerungszustandes ausscheidungshärtbarer Legierungen auf die Spanbildung wird auf die während der plastischen Verformung in der primären Scherzone einsetzenden Wechselwirkungsmechanismen zwischen Versetzungen und den im Werkstoff enthaltenen Ausscheidungen zurückgeführt. Die Versuche an der Titanlegierung Ti 15-3 zeigen allerdings, dass die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs erwartungsgemäß eine große Rolle bei der Scherlokalisierung spielt. Sie beeinflusst die Temperaturverhältnisse im scherlokalisierten Bereich und bestimmt damit das Auftreten oder Ausbleiben von makroskopischen Scherbändern in Abhängigkeit von der Dehnrate. Die Auslösung der Scherlokalisierungen erfolgt unabhängig von den äußeren Verformungsbedingungen und der Dehnrate immer kristallografisch definiert. Die Ausbreitung des Scherbandes erfolgt bei weiterer Verformung dann kristallografisch nicht definiert. Durch Versuche mit texturierten Gefügen der Titanlegierung Ti 6 4 konnte auch für Scherbänder eine kristallografisch definierte Ausbreitung erreicht werden. Für diesen Effekt ist die Schärfe der Textur im scherlokalisierten Bereich entscheidend. Bei einem sich abschnittsweise als Einkristall verhaltenden mikrotexturierten groblamellaren Gefüge wirkt sich die Textur daher im Gegensatz zu einem makrotexturierten Duplex-Gefüge auf den Segmentierungsgrad der Späne aus. Der Schnittgeschwindigkeitseinfluss auf die Ermüdungseigenschaften der bearbeiteten Oberflächen hängt stark vom untersuchten Werkstoff und dem jeweiligen Gefüge ab. Bei der gut zerspanbaren Aluminiumlegierung wurde eine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften bei höherer Schnittgeschwindigkeit beobachtet. Dieser Effekt kann auf eine verminderte Oberflächenrauigkeit mit steigender Schnittgeschwindigkeit zurückgeführt werden. Der Grad der Eigenschaftsverbesserung durch die gesteigerte Schnittgeschwindigkeit hängt von der Kerbempfindlichkeit des Werkstoffs ab. Die Ermüdungsergebnisse der Titanlegierung Ti 15 3 zeigen eine drastische Verringerung der Dauerfestigkeiten nach HSC-Bearbeitung bei 4000 m/min. Die Dauerfestigkeitserniedrigungen sind eindeutig auf starke Oberflächenschädigungen der Werkstücke zurückzuführen. Durch die hohe Sauerstoffaffinität des Titans in Kombination mit der eingebrachten Wärme und dem Druck der Nebenschneide entsteht an der neu erzeugten Oberfläche sehr hartes und sprödes Titanoxid. Dies führt zu Ausbrüchen in der Oberflächenschicht, bzw. zu Rissen, die bis zu mehrere hundert Mikrometer ins Volumen hineinreichen und durch die damit verbundene Kerbwirkung zu einem Rückgang der Dauerfestigkeiten führt. Für die Bearbeitung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 400 m/min, die im unteren HSC-Bereich liegt, wurden keinerlei Unterschiede zu konventioneller Bearbeitung gefunden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aim of this work was to characterize the events taking place in front of the cutting edge and their effects on the finished workpieces for high speed machining. This work consists of two parts. In the first part the influence of material properties (texture, microscopic texture and thermal conductivity) on shear localizations leading to segmented chips is cleared. The second part deals with the influences of machining process on work piece and the consequences on fatigue behaviour of machined surfaces. Appropriate examinations were carried out for the aluminium alloy Al7075 and the titanium alloys Ti 15-3 and Ti 6-4. The influence of ageing conditions on chip formation mechanism for precipitation hardenable alloys is related to the interactions of dislocations with the precipitations in the primary shear zone during mechanical deformation. Investigations for the titanium alloy Ti 15-3 show that thermal conductivity of the material plays a large role for shear localization as expected. Thermal conductivity influences the temperature conditions in the shear zone and determines the appearance or non-appearance of macroscopic shear bands regarding to strain rate. The onset of shear localization is independent from deformation conditions and strain rate and always takes place in a crystallographic defined way. The shear band propagation with further deformation is not crystallographic defined any more. Investigations with textured microstructures of the titanium alloy Ti 6-4 revealed even a crystallographic defined propagation of shear bands. The sharpness of texture in the shear zone is decisive for this effect. The microscopic texture of a coarse lamellar structure of the titanium alloy Ti 6-4 which acts partial as a single crystal therefore affects chip segmentation in contrary to a macroscopic textured duplex-structure of the same alloy. The influence of cutting speed on fatigue properties of finished surfaces depends strongly on the examined material and related microstructure. The good machinable aluminium alloy shows an improvement of fatigue properties at higher cutting speeds. This effect can be related to the decreasing surface roughness with increasing cutting speed. The amount of fatigue property improvement with increasing cutting speed depends on the notch sensitivity of the microstructure respectively. The results of the fatigue tests of the titanium alloy Ti 15-3 show a drastic decrease of fatigue limit after HSC processing at 4000 m/min. This decrease is obviously due to the strong surface deterioration of the work pieces. Very hard and brittle titanium oxide is formed at the machined surface due to the high affinity of titanium to oxygen in combination with the heat and the pressure brought in due to the minor cutting edge. This leads to spallings in the surface region or to cracks reaching up to several hundred microns into the bulk material. The notch effect of these deteriorations lead to the decrease of fatigue limit observed. The machining with a cutting speed of 400 m/min, which lies in the lower HSC region, shows no differences to conventional cutting.English
Uncontrolled Keywords: Ermüdungseigenschaften
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
ErmüdungseigenschaftenGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000560
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5602
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Exner, Prof. Dr. H. E. and Rödel, Prof. Dr. J.
Advisors: Müller, Priv.-Doz. C.
Refereed: 20 April 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/560
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